公路工程軟土路基設(shè)計問題分析

馬平川、羅硯

（遵義市交通勘察設(shè)計有限公司，貴州遵義 563000）

0 引言

在道路工程中，路基不僅要承受路面自重，還要承受車輛荷載，因此路基必須具備較高的承載能力。即便是高等級公路，也會出現(xiàn)因路基承載能力差引發(fā)的不均勻沉降、路面開裂等問題。在高速公路施工中，經(jīng)常會遇到軟土路基，為提高路基的承載能力，必須對軟土路基處理方案進(jìn)行有效設(shè)計。基于此，文章對公路工程軟土路基設(shè)計問題進(jìn)行分析，以期提高設(shè)計水平，為公路工程整體施工質(zhì)量提供保障。

1 軟土路基的特性

軟土土體類型主要是指天然含水率超過40%，其中淤泥及淤泥質(zhì)土體的天然含水率更高，局部可達(dá)80%以上，基本呈流動狀，綜合承載能力較低，天然孔隙率大于土體液限值，經(jīng)碾壓后難以成型。根據(jù)最新頒布的《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30—2015）的相關(guān)要求，鑒別軟土路基時，主要以表1 中列出的主要參數(shù)為鑒定標(biāo)準(zhǔn)。

表1 公路工程軟土路基鑒定標(biāo)準(zhǔn)

在外部荷載和不良環(huán)境耦合作用下，土體將出現(xiàn)較大的變形，而大變形在工程中是絕對不允許出現(xiàn)的。由于軟土土體的壓縮性能較高，其壓縮系數(shù)值與其天然含水率呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。在工程施工過程中，在外部荷載的擾動下，軟土土體的承載能力會迅速下降；卸載后，其強(qiáng)度有所恢復(fù)但總體上還是低于設(shè)計強(qiáng)度。

因此，為了確保軟土路基的安全性和穩(wěn)定性，在公路施工中需要采取有效的措施進(jìn)行處理。常用的軟土處理技術(shù)包括軟土路基回填土處理技術(shù)、排水砂墊層處理技術(shù)、高壓噴射灌漿處理技術(shù)、擠實砂樁處理技術(shù)等，選擇處理技術(shù)時，需要考慮軟土的性質(zhì)、厚度、工程要求等因素。

2 公路工程軟土路基設(shè)計要點(diǎn)

在公路工程中，對軟土路基的設(shè)計需要根據(jù)不同的軟土性質(zhì)選擇不同的處理形式和設(shè)計方案，具體而言，要注意以下幾個方面：

第一，進(jìn)行軟土路基填筑設(shè)計時，需要考慮地質(zhì)條件、坡高、填料等因素，科學(xué)設(shè)計路基的斜坡速率，確保符合實際施工條件。例如，在加寬支線或干線的高速公路路段，坡高不能超過8m，路基邊坡的坡度率宜控制在1∶1.5；當(dāng)坡高為8～12m 時，應(yīng)控制上坡比為1∶1.5，下坡比為1∶1.75。為了保護(hù)邊坡，可以設(shè)計各種類型的擋土結(jié)構(gòu)，如在填方坡底設(shè)護(hù)坡，護(hù)坡寬度宜控制在1m 左右，橫坡傾斜度宜控制在4%左右。

第二，進(jìn)行低填淺挖路基設(shè)計時，為了確保路基密實度和強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，可采用石渣替代軟黏土填料，并對盲溝內(nèi)的碎石結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，以提高其排水效能，提高設(shè)計效果。

第三，設(shè)計填挖交接段路基時，垂直段可以按照1∶5 的斜率進(jìn)行斜坡設(shè)計，同時要重視梯級挖掘，確保梯級寬度的設(shè)計值不超過2m，坡體內(nèi)側(cè)坡度不超過4%；進(jìn)行縱向臺階開挖時，應(yīng)首先維持路基底部的基本標(biāo)高，之后按路基方向相應(yīng)開挖10m，以確保公路路基與路面連接的質(zhì)量和過渡效果，相應(yīng)的路基壓實度應(yīng)維持在96%以上。在此基礎(chǔ)上，還需根據(jù)具體的工程條件，進(jìn)行路基開挖和壓實方案的設(shè)計。進(jìn)行基坑工程施工時，必須結(jié)合基坑工程的施工路線，有效控制路塹的實際挖深。在施工過程中，必須充分考慮土體的密實度、含水量和坡度等因素，以防止開挖給工程帶來不利影響。比如，進(jìn)行開挖巖質(zhì)邊坡設(shè)計時，應(yīng)全面考慮邊坡穩(wěn)定性、開挖高度、巖石狀態(tài)、地表水和巖石平衡等因素，以提升開挖路基的整體安全性和穩(wěn)定性[2]。

3 軟土路基的控制要點(diǎn)與處理方法

3.1 軟土路基控制要點(diǎn)

在設(shè)計勘察和施工中，采取合理的防范措施和處理方法是降低軟土路基對工程影響的關(guān)鍵。軟土路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差，容易產(chǎn)生沉陷，因此需要在施工中進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

首先，進(jìn)行軟土路基設(shè)計時，應(yīng)嚴(yán)格控制路基高程，以保證符合實際情況。在選材上，應(yīng)選擇輕質(zhì)、薄質(zhì)的材料，以減輕路基荷載。同時，可以在地基上加設(shè)樁基，進(jìn)一步加強(qiáng)路基承載能力。

其次，在施工階段，要嚴(yán)格控制軟土路基排水板的深度和間距，確保施工標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計要求一致。同時，需要為軟土路基設(shè)置排水系統(tǒng)，進(jìn)行快速排水，以提高路基的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

最后，在工程實踐中，經(jīng)加固處理，軟土路基的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，才能進(jìn)行后續(xù)施工。

3.2 軟土路基回填土處理技術(shù)

采用回填加固技術(shù)能夠確保軟土路基的構(gòu)造達(dá)到設(shè)計要求。為此，需要明確相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用過程：

首先，應(yīng)根據(jù)實際情況和設(shè)計要求，明確回填材料，一般可以采用碎石、粗砂等材料，以提高軟土路基的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

其次，必須對軟土路基進(jìn)行充分的風(fēng)干，然后按照一定的順序進(jìn)行回填，以避免軟土路基出現(xiàn)沉降等問題。

最后，使用鏟運(yùn)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行回填處理，保證路基平整。當(dāng)路基平整度達(dá)到設(shè)計要求時，進(jìn)行規(guī)定的振搗次數(shù)，以確保回填施工質(zhì)量。

3.3 排水砂墊層處理技術(shù)

進(jìn)行軟土路基構(gòu)造設(shè)計時，往往會面臨土層較薄、含水率較高的問題。為了解決這些問題，可以采用排水砂墊層處理技術(shù)，砂墊層在軟弱地基中能夠起到類似于排水層的作用，將水分迅速排出。采用該技術(shù)可以有效地解決軟土地基中結(jié)構(gòu)性土層厚度小、含水量高的難題[3]。

3.4 高壓噴射灌漿處理技術(shù)

對于軟土路基，可以采用高壓噴射灌漿技術(shù)進(jìn)行加固。該技術(shù)借助高壓噴射時產(chǎn)生的沖擊力，將混凝土攪拌均勻，并將其澆筑成圓筒狀，能夠提高路基的密實度和強(qiáng)度，還能有效解決路基滲水問題。

3.5 擠實砂樁處理技術(shù)

擠實砂樁處理技術(shù)是指采用撞擊、振動等方法，在軟土路基上施加回填砂土，砂土能夠與周邊土層形成良好的黏結(jié)，改變原土體的軟弱狀態(tài)，使整體土層變得更加牢固，進(jìn)而提高路基強(qiáng)度[4]。

3.6 加筋路基處理技術(shù)

該路基處理技術(shù)也是當(dāng)前比較常用的一種公路工程軟土路基加固技術(shù)。對于高填路堤，適宜借助土工布加以隔墊（見圖1），這樣可以在很大程度上限制軟土路基和路基的側(cè)向位移，也有利于增加其側(cè)向的約束能力，降低整體的應(yīng)力水平，以及提升公路路基的整體剛度和穩(wěn)定性。在公路軟土路基處理中有效運(yùn)用加筋路基技術(shù)，有利于提升加固施工效率，縮短整體施工工期，降低加固施工成本，進(jìn)而提高加固施工的整體效益。

圖1 加筋路基處理中土工布設(shè)置

3.7 表層排水技術(shù)

由于軟土層具有非均質(zhì)的特性，因此容易出現(xiàn)非均勻側(cè)向變形和沉降變形等問題。而利用表面排水技術(shù)可以改善地基的固結(jié)度。特別是在填料中加入助劑，可以提高表層黏土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證填料的固結(jié)度。試驗和理論分析表明，這種方法既能有效地提高路基的抗壓承載力，又能提高路基的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度。在方案設(shè)計過程中，選擇合適的面排水技術(shù)，可以進(jìn)一步提高工程的質(zhì)量和可靠性。

4 某省道軟土路基公路設(shè)計案例分析

4.1 項目概況

進(jìn)行軟土路基設(shè)計時，需要有效控制其變形，以提高整體承載力和延長服役年限。結(jié)合某省一條高等級公路的軟弱地基設(shè)計實例，詳細(xì)分析在軟弱地基設(shè)計中相關(guān)參數(shù)的選擇以及復(fù)合地基相關(guān)參數(shù)的計算，以期提升軟弱地基的整體設(shè)計水平。

根據(jù)工程調(diào)查發(fā)布的地質(zhì)調(diào)查報告，該招標(biāo)段總長度為160km，其中部分招標(biāo)段位于河段沿線或地下水填充區(qū)，天然路基土含水率較高，天然孔隙率較高。通過實地勘察，確定了該地區(qū)的軟土路基全長35km。軟黏土以粉質(zhì)黏土為主。

4.2 標(biāo)段軟土路基設(shè)計參數(shù)

基于已有的公路工程地質(zhì)調(diào)研資料，結(jié)合軟土地基的受力特點(diǎn)，選取CFG 復(fù)合樁作為處理與加固軟土地基的主要方法。通過對軟土地基的勘察，發(fā)現(xiàn)不同層次的承載能力有很大的差別。在此基礎(chǔ)上，針對各種軟黏土地基的承載特性，計算出樁的真實固結(jié)端長度及樁長。以此為基礎(chǔ)，以CFG 樁基為研究對象，研究其在軟土中的應(yīng)用。最大樁長為9.8m，能夠滿足CFG 復(fù)合樁在對應(yīng)部位能穿越軟土的要求。

具體而言，通過研究確定了以下幾個方面的設(shè)計參數(shù)：

一是碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合樁樁徑的確定。在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，選擇了振動沉樁的施工方法，沉管的直徑為0.3m。為了保證樁身有足夠的承載余量，樁身直徑為0.4m。

二是CFG 樁基間距的確定。根據(jù)實際情況，樁基礎(chǔ)的設(shè)計間距一般為4～5 倍樁基礎(chǔ)的直徑。因此，樁基的設(shè)計間距應(yīng)在1.5～2m 之間。

三是確定CFG 樁基的強(qiáng)度水平。基于軟土地層的分布特點(diǎn)和有關(guān)參數(shù)，對CFG 樁基的承載能力進(jìn)行理論分析，得出CFG 樁基的承載能力標(biāo)準(zhǔn)為220kN，樁基的強(qiáng)度等級為5.5MPa。通過對各影響因素的分析，確定碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合樁承載力為15MPa。

四是確定下墊層的厚度指數(shù)。設(shè)計斷面的上半部分為軟土路基，采用CFG 復(fù)合樁墊層，厚度達(dá)0.4m。為降低軟弱地基處理難度，減少后期投資，在施工現(xiàn)場選擇河砂作為維護(hù)材料。

五是CFG 復(fù)合樁的分布情況。該項目選用正方形斷面布置形式[5]。

4.3 復(fù)合式軟土路基計算

進(jìn)行復(fù)合式軟土路基設(shè)計時，采用公式（1）：

式（1）中：fspk為CFG 復(fù)合樁基礎(chǔ)承載能力特征值（kPa）；m為面積置換比例；Rα為單樁基礎(chǔ)豎向承載能力特征值（kN）；Ap為樁基礎(chǔ)截面面積（m2）；α為樁基礎(chǔ)強(qiáng)度提升系數(shù)；β為CFG 復(fù)合樁承載能力折減系數(shù)值，介于0.7～0.85 之間；fsk為處理后的樁間土承載力特征值（kPa）。

計算結(jié)果表明，CFG 復(fù)合樁承載力衰減系數(shù)的取值范圍為0.7～0.85。根據(jù)地質(zhì)勘察資料可知，該路段位置的天然承載能力平均值為70kPa，取β=0.7，CFG 復(fù)合樁間距值分別為1.5m、1.8m、2m，則與之相對應(yīng)的樁基礎(chǔ)承載能力特征值分別為405kPa、300kPa、238kPa，相應(yīng)標(biāo)段的軟土路基回填土厚度值為6.5m[6]。此外，對路面承載能力、承載儲備進(jìn)行全面分析，若CFG 樁基礎(chǔ)的間距值為2m，則樁基礎(chǔ)的承載特征值為169kPa，達(dá)到了設(shè)計容許值。

5 結(jié)語

在公路工程軟土地基設(shè)計方面，應(yīng)對施工方案和施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化，確保施工操作更精確、更規(guī)范，同時應(yīng)最大程度、最合理地利用施工資源，對公路路基的沉降進(jìn)行有效控制，進(jìn)而提高工程質(zhì)量，降低事故發(fā)生率。希望上述研究，能夠為我國高速公路建設(shè)提供有益參考。